母板

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岸傅
5 years ago
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1 第十一章 ADS 基础与低噪放设计 ADS 简介现有主流电磁仿真软件 ADS 的主要仿真器 ADS 操作基础低噪放设计理论回顾给定指标及一般设计步骤具体过程

2 11.1 ADS 简介 1. 现有主流电磁仿真软件主流的电磁仿真软件主要基于以下三种方法 : 矩量法 (MOM):ADS Ansoft Designer Microwave Office IE3D FEKO; 有限元法 (FEM):Ansoft HFSS ANSYS EMDS; 时域有限差分法 (FDTD):EMPIRE XFDTD CST 作为板级和 IC 级电路设计师,ADS 集成的 Momentum 其效率远超 HFSS 和 CST;ADS 能与目前主流的 3D 制图软件进行导入和导出 ; 对于在第三维度上具有非均匀延展的结构如天线键合线等, 其中集成的三维求解器 EMDS ( 基于有限元法 ) 能提供完美解决方案 ;Agilent 公司和各大元器件厂商广泛合作并提供最新的 Design Kit 给用户使用 ;ADS 能与许多著名的 EDA 软件进行协同仿真, 如 CST Matlab 等 ADS 集合了多种 EDA 软件的优点, 可进行时域仿真频域仿真模拟电路数字电路线性和非线性电路仿真, 小到单独元器件的仿真, 大到系统仿真数 / 模混合仿真, 能极大地缩短产品

3 ADS 主要应用于 : 射频与微波电路的设计, 通信系统链路的设计,RFIC 设计,DSP 设计和向量仿真 2.ADS 主要仿真器直流 (DC) 仿真控制器 : 如进行晶体管的直流工作点分析, 一般作为其他分析的起始步骤检验所测试的设计的正确 DC 操作特性确定电路能量消耗通过将模型 DC 传输特性曲线 (I-V 曲线 ) 与实际测量值比较, 检验模型参数仿真结束后显示电压和电流交流 (AC) 仿真控制器 : 相当于一个小信号分析仪, 通常在确定 DC 工作点后, 分析非线性器件在工作点附近时的线性特性, 小信号 AC 仿真一般位于谐波平衡 ( 频谱 ) 仿真之前执行扫频或扫频变量小信号线性 AC 仿真获得小信号传输参数, 如 : 电压和电流增益跨导导纳和线性噪声 S 参数仿真控制器 : 确定 n 端口电子器件在给定频率下的响应信号波形获取器件或电路的散射参数仿真群时延和线性噪声仿真频率改变对小信号的影响

4 谐波平衡 (HB) 仿真控制器 : 适合于模拟 RF 和微波电路, 是一种非线性电路和系统失真的频域分析方法确定电流或电压的频谱成分计算参数, 如 : 三阶截取点总谐波失真及交调失真分量执行电源放大器负载激励回路分析执行非线性噪声分析大信号 S 参数 (LSSP) 仿真控制器 : 非线性电路中大信号 S 参数的计算, 属于 HB 仿真中的一种大信号 S 参数当电平改变时会改变, 因载波平衡仿真包括非线性影响增益压缩 (XDB) 仿真控制器 : 计算放大器或混频器的增益压缩点包络 (Envelope) 仿真控制器 : 适合快速完全分析数字调制 RF 信号等复杂信号的时域和频域特性 ; 瞬时仿真仅在载波和其谐波附近产生瞬态 (Transient) 仿真控制器 : 是 SPICE 最基本的仿真方法, 常用于低频的模拟电路和数字电路仿真 ; 不能胜任高频电路宽带电路仿真, 瞬态技术仿真 ; 它能求解一组描述电路依赖时间的电压和电流的微积分方程, 对于时间和 / 或扫频变量是非线性的

5 仿真功能描述 DC 仿真控制器对于所有 RF/ 模拟仿真是基本的它表现为一个拓扑检查及一个 DC 操作点的分析 AC 仿真控制器获取小信号传输参数如电压增益电流增益及线性噪声电压和电流 S 参数仿真控制器提供 S 参数线性噪声参数跨导及导纳 ; 可用来达到 AC 仿真的很多目的 HB 仿真控制器利用非线性谐波平衡技术来寻求在频域稳定状态的解决办法 LSSP 仿真控制器执行大信号 S 参数分析来描述非线性行为附随的 P2D 仿真器可以加快随后的分析 XDB 仿真控制器寻求一个用户定义的增益压缩点, 在那一点上实际功率曲线偏离理想线性功率曲线瞬态仿真控制器完全在时域中利用一个简化的模型解决非线性来说明分布式元件的频率响应典型使用所有 RF/ 模拟设计滤波器放大器滤波器振荡器放大器混频器混频器振荡器功率放大器无线电接收机功率放大器功率放大器混频器混频器功率放大器开关电路

6 3.ADS 操作基础四窗口 : 主窗口原理图窗口版图窗口和数据显示窗口主窗口新建原理图新建数据显示窗口仿真数据原理图 & 版图仿真工程文件设计过程检测数据新建版图仿真数据 DSP 综合数据双击打开一次只可打开一个项目利用 File>Include/Remove Projects 可链接子项目文件浏览器工程管理区

7 原理图窗口菜单栏工具栏元器件库列表元器件列表设置元器运行调谐变量件库原理图编辑区

8 版图窗口菜单栏工具栏元器件库列表元器件列表工作环境设置 2.5D MOM 仿真器 3D FEM 仿真器版图编辑区

9 数据显示窗口菜单栏工具栏项目列表曲线标记数据图放置窗口

10 在原理图或版图设计窗口, 可以创建和修改电路图和布局图添加变量和方程放置和修改元件封装及仿真控制器指定层及显示参数使用文本和说明插入注释由原理图生成布局图 ( 及从布局图到原理图 ) 创建一个设计和布局图的基本步骤 : 添加元件在设计窗口中放置连接及设置 : 元件数据项测试源仿真控制器添加整个电路作为子网络进行分级设计

11 在版图窗口中绘制外形 : 坐标输入

12 同步设计使用命令 Schematic window>layout>generate/update Layout 或者 Layout window>schematic>generate/update Schematic 来生成及同步原理图和版图

13 可以从各大软件厂商如 Murata NEC 等公司官网上下载 ADS 元件库, 通过以下两种方式可以导入至 ADS 的设计环境中 : 解压缩下载的元件库文件 ( 通常是.zap 或.zip 格式 ) 方式一 : 安装 ADS 设计包 ( Install ADS Design Kit)

14 方式二 : 对压缩项目解档点击 Unarchive Project 后出现,Project 通常为.zap 格式, 解压后可由 Include/Remove Projects 加载

15 11.2 低噪放设计 1. 理论回顾当今, 人们对各种无线通信工具的要求越来越高, 如辐射功率要小作用距离要远覆盖范围要广, 对接收机灵敏度提出了更高的要求 : S (dbm) 114(dBm / Hz) NF(dB) 10log BW(MHz) S / N(dB) min 从上式看出, 一旦系统带宽 BW 和信噪比 S/N 确定之后, 对系统灵敏度起决定作用的就只有 NF 了, 而由多级级联放大器的噪声系数公式 : 知第一级放大器的噪声在整个接收机中处于重要地位因此, 低噪放 (LNA) 的设计对整个接收系统是很重要的, 它是提高灵敏度的关键手段之一 LNA 的性能取决于噪声系数合理的增益和稳定性噪声系数 NF( 或噪声温度 T e ); 变换功率增益 G T 稳定性和动态范围 NF NF (NF 1) / G (NF 1) / G G

16 增益噪声和动态范围之间的关系假设某接收机噪声系数为 3dB, 线性动态范围为 50dB, 接收机的匹配信号带宽为 3.3MHz, 最大输出信号电平为 2V p-p (50Ω 系统 ) 接收接的灵敏度为 : S min 接收机的最大输入信号电平功率为 : 接收机的最大输出信号电平功率为 : 接收机的增益为 66dB 放大器稳定性 114(dBm / Hz) NF(dB) 10log BW(MHz) S / N(dB) 106 dbm P P in out-1 S min 1 50 DR -56 dbm V 2 p-p dbm 改善微波管稳定性的方法串接阻抗负反馈 ( 常用微带线替代 ) 在天线和放大器间加载铁氧体隔离器在放大器输出口加载 Π 型阻性衰减器

17 3. 具体过程采用 Avago 公司高电子迁移率晶体管 (PHEMT)ATF54143 芯片设计 LNA, 设计指标 : 工作频率 2.4~2.5 GHz; 噪声系数 NF<0.7 增益 Gain>15 VSWRin<1.5, VSWRout<1.5 设计步骤为选定 ( 安装 ) 晶体管直流分析偏置电路设计稳定性分析噪声系数圆和输入匹配最大增益的输出匹配电路和版图的联合仿真

18 3. 具体过程 I. 直流分析确定晶体管的直流工作点

19 II. 偏置电路设计给 FET 提供合适的直流工作点

20 III. 稳定性分析确使条件稳定的晶体管处于稳定工作区 -1 ( 计算资用功率增益和稳定性系数 K) 隔直流隔交流隔直流资用功率增益稳定性系数 K 低频部分不稳定, 且增益较高, 易产生自激振荡

21 III. 稳定性分析确使条件稳定的晶体管处于稳定工作区 -2 ( 引入负反馈 ) 负反馈设置可调谐变量

22 III. 稳定性分析确使条件稳定的晶体管处于稳定工作区 -3 ( 将理想的 DC_Feed 和 DC_Block 用理想的 Murata 电感电容替代 ) Murata 电感电容具备同步设计所需的封装 Murata 器件 Murata 器件

23 III. 稳定性分析确使条件稳定的晶体管处于稳定工作区 -4 ( 将源级处的小电感以微带接地枝节替换 ) 实际电感很难做到小的电感值 ; 分立集总电感寄生参数影响整个电路的稳定性微带接地枝节电小微带接地枝节的物理长度为 11.81L(nH) l Z 0 e (in)

24 IV. 等噪声系数圆和输入匹配在噪声系数和输入增益间均衡选择输入匹配枝节, 此处选择最小噪声系数时所需的输入匹配枝节 -1 ( 开启 S 参数仿真控制器中的线性噪声计算功能, 计算等噪声系数圆和等增益圆 ) 取得最小噪声系数时的源端阻抗 Insert Measurement Equations 源反射系数 Smith 圆图

25 IV. 等噪声系数圆和输入匹配在噪声系数和输入增益间均衡选择输入匹配枝节, 此处选择最小噪声系数时所需的输入匹配枝节 -2 ( 将 50Ω 变换至 Z 0 ( j0.410) = (23.7 j20.5) Ω) Smith 圆图匹配控件

26 IV. 等噪声系数圆和输入匹配在噪声系数和输入增益间均衡选择输入匹配枝节, 此处选择最小噪声系数时所需的输入匹配枝节 -2 ( 将 50Ω 变换至 Z 0 ( j0.410) = (23.7 j20.5) Ω)

27 IV. 等噪声系数圆和输入匹配在噪声系数和输入增益间均衡选择输入匹配枝节, 此处选择最小噪声系数时所需的输入匹配枝节 -2 ( 将 50Ω 变换至 Z 0 ( j0.410) = (23.7 j20.5) Ω)

28 IV. 等噪声系数圆和输入匹配在噪声系数和输入增益间均衡选择输入匹配枝节, 此处选择最小噪声系数时所需的输入匹配枝节 -2 ( 输入端隔直电容应置于源端, 此时导致噪声最优化点偏离 50 Ω, 需调节微带线长度来补偿, 以同时获得较小的 S 11 和噪声系数 )

29 IV. 等噪声系数圆和输入匹配在噪声系数和输入增益间均衡选择输入匹配枝节, 此处选择最小噪声系数时所需的输入匹配枝节 -2 ( 输入端隔直电容应置于源端, 此时导致噪声最优化点偏离 50 Ω, 需调节微带线长度来补偿, 以同时获得较小的 S 11 和噪声系数 )

30 IV. 等噪声系数圆和输入匹配在噪声系数和输入增益间均衡选择输入匹配枝节, 此处选择最小噪声系数时所需的输入匹配枝节 -2 ( 输入端隔直电容应置于源端, 此时导致噪声最优化点偏离 50 Ω, 需调节微带线长度来补偿, 以同时获得较小的 S 11 和噪声系数 )

31 V. 最大增益的输出匹配 -1 ( 由单向功率增益 G T 知, 应最大化输出匹配段的有效增益 G S )

32 V. 最大增益的输出匹配 -2 ( 由单向功率增益 G T 知, 应最大化输出匹配段的有效增益 G S )

33 V. 最大增益的输出匹配 -2 ( 由单向功率增益 G T 知, 应最大化输出匹配段的有效增益 G S )

34 V. 最大增益的输出匹配 -2 ( 由单向功率增益 G T 知, 应最大化输出匹配段的有效增益 G S )

35 V. 最大增益的输出匹配 -2 ( 由单向功率增益 G T 知, 应最大化输出匹配段的有效增益 G S, 调谐匹配枝节的电长度, 在 S 参数噪声系数和稳定性上取得平衡 )

36 V. 最大增益的输出匹配 -2 ( 由单向功率增益 G T 知, 应最大化输出匹配段的有效增益 G S, 调谐匹配枝节的电长度, 在 S 参数噪声系数和稳定性上取得平衡 )

37 V. 最大增益的输出匹配 -3 ( 将理想的传输线模型以实际的微带线模型替换,50 Ω FR4 微带线宽度为 mm) TL Tag 电长度 (deg) 物理长度 (mm) TL TL TL TL

38 V. 最大增益的输出匹配 -3 ( 将理想的传输线模型以实际的微带线模型替换,50 Ω FR4 微带线宽度为 mm)

39 V. 最大增益的输出匹配 -4 ( 在实际的电路中, 通过添加分立电容进一步对直流电源去耦 )

40 V. 最大增益的输出匹配 -4 ( 在实际的电路中, 通过添加分立电容进一步对直流电源去耦 )

41 VI. 电路图和版图的联合仿真 -1 ( 根据 ATF54143 的 Datasheet 作出实际的封装图 ) 焊盘尺寸

42 VI. 电路图和版图的联合仿真 -2 ( 根据 ATF54143 的 Datasheet 作出实际的封装图, 注意封装的端口号应与原理图相对应 )

43 VI. 电路图和版图的联合仿真 -3 ( 从原理图同步到版图设计, 调整元器件封装的位置 )

44 VI. 电路图和版图的联合仿真 -4 ( 从原理图同步到版图设计, 删除元器件的封装, 并在原封装相应位置添加协同仿真的桥梁 internal port)

45 VI. 电路图和版图的联合仿真 -5 ( 从版图中生成元件 component, 以供原理图设计调用 )

46 VI. 电路图和版图的联合仿真 -6 ( 初步的仿真结果 )

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路